黑洞是通過愛因斯坦廣義相對論預測出的一種特殊天體,由於它的巨大質量,使得其周圍空間發生強烈彎曲,以致於光線按照這種彎曲後的空間傳輸,怎麼逃離不出黑洞的史瓦西半徑之外,在外界看來黑洞「只進不出」,無法通過儀器設備直接觀測出來。在2019年時,科學家們通過特殊的方法觀測到了在距離我們5500萬光年的地方,即室女座星系M87中心存在一顆超大質量的黑洞,並且成功拍攝出了人類歷史上第一張黑洞照片,從而進一步證實了黑洞的存在。這不,就在前不久,科學家們又打破了這一黑洞與地球的距離紀錄,在南半天區的望遠鏡座中發現了一個距離地球僅1000光年的黑洞HR6819,有兩顆恆星圍繞著它運行,這麼近的距離,會不會對地球產生影響呢?
黑洞的形成
黑洞的形成,與恆星的演化歷程密不可分。恆星在主序期內,由於內部的核聚變向外產生一定的輻射壓,而恆星外殼物質在重力作用下會有向內移動的趨勢,這兩種力如果處於平衡狀態,則恆星的狀態會保持相對的穩定。不過,恆星在主序期內,每時每刻這兩種力都在發生著互相的抗衡。
如果重力因素佔了上峰,則恆星物質就會向內進行一定程度的坍縮,在坍縮過程中外部組成物質之間、以及與內部物質之間都會發生激烈的碰撞產生大量能量,同時一部分重力勢能也會轉化為熱能,從而推動提升核心區的溫度,既而提升核聚變的反應強度,最終使得向外的輻射壓升高,與外殼重力又實現了平衡的狀態。如果向外的輻射壓佔了上峰,則情況正好相反,輻射壓推動恆星外殼物質逐漸向外擴張,體積發生膨脹,一部分輻射能量轉化為重力勢能,核心區參與反應的物質逐漸減少,內核溫度下降,核反應程度相應降低,從而拉低輻射壓強度,結果也是與重力相互平衡。
以上是恆星處於主序期不斷反覆進行的過程,而當恆星在生命尾聲時,參與核反應的物質數量將不斷減少,當不能達到新生成物質的核聚變溫度條件時,核反應就會慢慢停止。即使因外殼坍縮後,也帶入不了更多的核聚變原料物質,也達不到之前核聚變產生新物質繼續發生核聚變的條件,這樣恆星就會發生劇烈的坍縮現象,體積迅速減少,內核溫度迅速升高,之後根據核心殘餘質量的不同,恆星接下來將發生不同的命運。
如果殘餘質量小於太陽質量的1.4倍時,就會演化為白矮星;如果質量處於1.4倍和3.2倍太陽之間,則巨大的坍縮帶來的壓力,會將恆星內部原子中的電子壓進原子核之中,形成中子,同時劇烈的坍縮產生的反彈激波會將原來恆星大部分的組成物質拋灑到宇宙空間中,形成超新星爆發,剩餘的核心區物質演化形成中子星。如果殘餘的質量大於3.2倍太陽質量,則坍縮的重力仍會大於中子之間的簡併壓力,中子也將會被壓碎,繼續向著核心區的中心進行無限壓縮,最終形成密度非常大的小型「奇點」,黑洞就這樣形成了。
以上就是我們目前通過恆星演化過程推測出來的黑洞形成過程,除此之外,其實黑洞還有兩種形式,一個是在星系中央的超大質量黑洞,是為維繫著整個星系能夠正常穩定運行提供必要的引力支撐;另外一個是在宇宙大爆炸之後形成的原初黑洞,體積有可能僅有質子大小,質量也較小僅和地球等行星差不多。這個原初黑洞目前來看還僅是一種假設,是從宇宙大爆炸之後的瞬間物質密度過於集中,溫度非常之高,或許有大量的等離子體態的物質,直接會因引力發生坍縮現象形成黑洞。
黑洞的特性及觀測方法
由於黑洞形成的特定條件,在廣義相對論的描述下,黑洞的所有質量都將集中到那個特殊的小型「奇點」之上,在這個奇點的周圍一定區域,在時空彎曲的影響下,連光線都無法逃離,這個區域邊界就叫作事件視界。黑洞的主要特性有:
在事件視界之內,由於我們偵測不到任何來自內部的信息,所有我們無法對黑洞進行直接觀測。同樣在事件視界之內,即使最快速的光線,也無法逃離,也就是說黑洞事件視界以內的逃逸速度要大於光速。從外界描述黑洞的性質,只能從質量、角動量、帶電性3個方面來對其宏觀特性進行闡述。黑洞的質量會因為黑洞的量子蒸發(霍金輻射)而不斷減少。既然黑洞不能直接被觀測,但是由於它的強大引力作用,會使其周圍的恆星或者其它星體發生引力擾動,而且黑洞在吸聚物質時也會產生一定的電磁作用,從而會被天文望遠鏡所捕捉到,從而間接地對黑洞進行定位。科學家們常用的觀測方法主要包括:
引力透鏡法:從黑洞以外處照射到黑洞視界以外的光線,通過黑洞時會發生一定彎曲,這些彎曲後的光線會有一定機率照射到地球,從地球上觀測就有可能產生引力透鏡現象,從而在目標區域看到一個或者多個像。
吸積盤法:當黑洞從外界不斷吸積物質時,被吸入的物質由於被強烈壓縮,之間產生強烈的摩擦,形成明顯的粘滯作用,黑洞視界周圍區域繞行軌道內的物質會向中心處螺旋前進,從而使物質溫度大幅提升,產生高強度的電磁輻射,黑洞吸積盤中的電磁輻射主要以X射線為主。
引力擾動法:對於那些沒有被觀測到引力透鏡效應或者吸積盤的黑洞,如果在其周圍存在著異常運動的恆星,則可以判斷出黑洞的存在,比如恆星圍繞著一個中心旋轉,或者兩顆恆星本應圍繞它們的共同質心運動,結果這個中心不是它們的共同質心,而是另外一個中心,等等。剛才發現的1000光年之外的黑洞,其發現的方式就是通過這個引力擾動的方法獲得的,那兩顆恆星就像太陽系的兩顆行星圍繞著太陽運動一樣,也不是相互繞行。
另外,還有通過探測黑洞合併時形成強烈的引力波效應,這樣的一種間接方式探知黑洞存在的方法。
HR6819黑洞會對地球產生影響嗎?
根據黑洞的特性,物質到達其事件視界以內,就會被無情地被吞噬掉,被巨大的壓力粉碎為亞原子級別。從某種意義上來說,黑洞與中子星、恆星的引力作用相似,只是由於黑洞的密度極其大,視界以內完全無法進行直接觀測,而使其面貌無比神秘而已。
對於呈現比較「安靜」狀態的黑洞來說,其對其它星體的影響還是比較小的,因為它不會去主動「吞噬」任何東西,而只有外來闖入者才會被它吞噬。但是宇宙中還有一部分相當不「頑皮」的黑洞,其是處於快速的運動之中的,這樣的黑洞對於其它星體來說威脅就非常大了,沿途經過路線中只要進入其事件視界以內的所有物質,都會被黑洞主動地吞噬掉,即使沒有進入視界以內的星體,在其強大引力作用下,也會使原有星體的運動軌跡發生重大變化,極有可能會使恆星系發生重組,如果這個恆星系中存在著生命形式,那麼對其的打擊和影響也是覆滅性的。
幸好,這次觀測到的黑洞移動方向和地球是相背的,即它正在逐漸地遠離地球,現在不會將來也不會對地球產生任何影響。但是,此次的黑洞發現,並未探測到黑洞吸積盤的存在,也沒有其它明顯的間接觀測特徵,科學家們只是利用了兩顆恆星運動的規律異常推測出這種黑洞的存在,至於以後有沒有別的黑洞,打破這個與地球距離的最短紀錄,或者會不會有朝向地球運行的黑洞,都還是未知數。